黄小荣，庞世龙，彭玉华，申文辉（广西林业科学研究院，南宁，530002）



广西苍梧马尾松林和大叶栎林的火行为比较

黄小荣＊，庞世龙，彭玉华，申文辉
（广西林业科学研究院，南宁，530002）

摘要：马尾松（Pinus massoniana）是中国南方大面积造林的树种，也是抗火能力最弱的树种。研究了广西苍梧11龄马尾松用材林和4龄大叶栎萌芽林在正常冬季和干旱夏季情景下的火行为，用behaveplus计算了火线强度、蔓延速度、树冠火可能性等参数。结果表明，两种林分在干旱夏季的火行为高于在正常冬季的火行为。无论是在正常冬季还是在干旱夏季，都没有出现马尾松可燃物模型的火行为一致高于大叶栎可燃物模型的情况；天气、地形、可燃物床结构对可燃物含水率有很大影响，而含水率是火行为的决定因素。虽然大叶栎被划分为难燃树种，大叶栎萌芽林的火行为高于成年大叶栎乔木林，苍梧大叶栎萌芽林在极端干旱的夏季情景有被火把点燃的可能性。如果将大叶栎萌芽林作为防火林带使用，需要经常清除林下枯枝落叶，割除黑莎草，减少细小可燃物。

关键词：含水率；可燃物模型；可燃物载量；火行为；火面强度

0　引言

马尾松（Pinus massoniana）是我国南方热带、亚热带地区主要的公益林和用材林树种［1］，具有重要的生态价值和经济价值。广西是南方重要的商品林生产区，同时，也是一个森林火灾高发的省区之一［2］。火灾大多数发生在马尾松林［3］，过火面积不大，平均为7．5公顷左右，但造成的生命财产损失是相当大的。马尾松的枝、叶含有大量松脂和挥发性油类［4］，凋落松针分解慢，容易发生火灾，特别是在长期没有采樵干扰的地区。陈等［5］将中国南方的37个树种划分为6个抗火性能等级，马尾松为抗火性最差的6级；舒等［6，7］、Tian et al．［8］对广西大桂山13种主要树种的研究表明，马尾松抗火能力最弱，马尾松发热量大（22889kJ／kg），着火感应时间短（2．85s），比阔叶树种容易燃烧。

大叶栎（Castanopsis fissa）分布于中亚热带南部、南亚热带以及热带海拔较低的低山丘陵地区，是常绿阔叶林先锋树种。大叶栎生长快、萌芽力强，适应性广、轮伐期短，木材可制中密度纤维板和薪材，大径材为优良家具材，同时也是荒山绿化、水土保持的好树种［9，10］。广西苍梧种植大叶栎次生林已有十分长的历史，采用矮林作业，以5～7年左右为一个轮伐期，天然萌芽更新［9，11，12］。广西苍梧有大片的大叶栎单优群落，树冠浓郁，郁闭度通常在0．9以上，森林环境良好，林下衰弱的草木层和灌木层植物种类少，但枯枝落叶层深厚［9］。陈等［5］将大叶栎划分为抗火性能较强至中等的3级，他的建议是以1、2级的树种作为防火林带树种。“全国森林火险区划等级”（LY／T 1063－2008）将大叶栎划分为难燃树种。据黄等［13］（2014）报告，28龄大叶栎公益林4～5月在D2L2干旱水分情景、中焰风速6．4km／h的反应强度为257kW／m2～374kW／m2，火焰长度0．8m，蔓延速度1．2m／min～1．5m／min。

广西东部的苍梧县是森林资源丰富的县份，主要树种为马尾松和大叶栎。苍梧为副热带季风气候，森林火灾多发于春季和冬季［14］，冬季多于春季，森林火灾起火的时间多集中在11∶00～19∶00，有下午多发的特性［2］。

本文研究了广西苍梧马尾松人工林和大叶栎萌芽林的火行为，根据样方调查数据，建立了12个可燃物模型，利用BehavePlus5．0软件，计算了在正常冬季、干旱夏季、不同风速下的地表火行为和树冠火行为，为制定该地区的可燃物消减计划、防火带树种选择策略、防止森林火灾提供科学依据。

1　研究地区和研究方法

1．1 研究地区

苍梧县位于亚热带南缘，在广西的东部，梧州市的东北部，浔江和桂江的汇合处，东面与广东省接壤；地形以山地、丘陵为主，北部为大桂山西南段，东南缘为两广界山云开大山余脉。苍梧气候温和，雨量充沛，年均气温21．2℃，年均降雨量1507毫米。研究区在苍梧县中部，在旺铺镇至六堡镇之间的林区，距离最近的人口聚集居住区40公里以上，除了进行经营作业的少量林农外，几乎无人干扰。马尾松3个样地（P1、P2、P3）的坐标E111°25′2″～E111°25′5．9″，N23°43′49″～N23°43′52″，海拔195m～208m，坡度28%～70%；坡向分别为西南、西南和西坡，坡位分别为上坡位、中坡位和上坡位；马尾松密度分别为1575／ha、1275／ha、1075／ha；林龄11年，经营目的为用材林。大叶栎3个样地（C1、C2、C3）的坐标E111°25′52″～111°25′55．42″，N23°45′17″～N23°45′19．92″，海拔142m～152m，坡度50%～58%，3个大叶栎样地的坡向都为西南，坡位为中坡位，4年龄萌芽林。

马尾松林下植被比较丰富，主要的灌木有玉叶金花、鸭脚木、桃金娘、华南毛柃、鲫鱼胆、九节、粗叶榕；灌木盖度30%～53%。主要的草本有粽叶芦、铁芒萁、莠竹、华山姜、乌毛蕨、五节芒、扇叶铁线蕨、求米草等；草本盖度15%～20%。

大叶栎林下植被种类较少，灌木主要有大叶栎种子苗、罗伞树、九节；灌木盖度30%～40%。草本有黑莎草、淡竹叶、狗脊、浆果苔草等；草本盖度5% ～10%。

1．2 研究方法

设置3个20m×20m马尾松样地、3个20m ×20m大叶栎样地，编号分别为P1，P2，P3，C1，C2，C3。DBH≥1cm以上的乔木每木检尺，记录种名、树高、胸径，估测冠基高、林冠容重。林冠高度是样地中最高的5株乔木的树高平均值［15］。

1．2．1 冠基高

根据Scott ＆Reinhardt（2005）的定义，冠基高为有足够的林冠可燃物来垂直传播火至整个林冠的最低高度，“足够的林冠可燃物”这里为0．012kg／m3［15－17］；林冠有效可燃物包括叶、0mm～3mm活枝、0mm～6mm死枝；本研究以枝下高最低的30株乔木（DBH≥1cm）的平均枝下高作为冠基高。

1．2．2 林冠容重

林冠容重是小于3mm的生物质和所有死生物质的容积密度；是分0．3m厚的层进行林冠容积密度测量时，林冠容积密度最大的3m的滑动平均。林冠容重的估测参照Keane（2012）［18］的方法、Scott ＆Reinhardt［15］提供的照片，结合我们调查的5个0．125m3林冠可燃物干重样本平均数来决定。

1．2．3 坡向、遮蔽百分比和风速调整因子

记录每个样地的坡度、朝向、可燃物遮蔽百分比，根据地形和BehavePlus 5．0的要求决定各样地的风速调整因子［19］（程序中自带了判断林分风速调整因子的插图）。中焰风速是林冠上空6．1m风速与风速调整因子的乘积；本研究使用6．1m风速，以下所有风速皆指林冠上空6．1m风速。

1．2．4 灌木、草本、倒死木质材料和可燃物床深度

在每个20m×20m样方内设5个2m×2m次级样方调查灌木（DBH＜1cm的木本植物），记录灌木种名、高度、基径、盖度。在每个样方内设5个1m×1m次级样方调查草本，记录种名、高度、盖度。在每个样方内设3个2m×2m次级样方调查10h、100h、1000h倒死木质可燃物。在每个样方内设3个1m×1m小样方调查1h倒死木质可燃物、凋落物和腐殖质。1h可燃物包括落叶、死草、细小植物死茎和直径0cm～0．635cm倒死木质可燃物。根据灌木、草本高度和盖度、倒死木质可燃物和凋落物情况，可燃物床深度的估算参照Brown （1974）［20］的平面截取法（planar intercept method）和Fernandes（2009）［21］的方法。另外，程序中自带有“Fuel bed depth”测量示意图。

1．2．5 生物收获取样和含水率测定

树冠、灌、草、倒死木质材料进行生物收割取样。树冠、灌木可燃物取3个优势种的两年生的活叶片连带其直径3mm以下细枝作为样品，草本取3种优势种的地上部分，倒死木质材料分1h、10h、100h可燃物3个等级分别取样，现场称重和装袋，带回实验室在105℃下30min后80℃烘至恒重，计算可燃物载量和绝对含水率（见表1和表2）。进行了两次取样，一次是在2014年1月20日下午3点，之前连续7天无雨，温度4℃～19℃，代表了广西苍梧正常冬天的含水率情景；另一次是在2013年7月13日下午3点，之前连续11天高温无雨，温度26℃～35℃；代表了广西苍梧干旱夏季的含水率情景。1．2．6 其他参数的确定

熄灭含水率、表积比参照Albini［22］（P92），可燃物热量参照陈［5］、舒［7］、Tian［8］的研究结果。样地调查结果见表1和表2。

表1　样地的可燃物床特征Table 1 Fuelbed characteristics of the sampled stands

1．2．6 可燃物模型的建立

利用BehavePlus 5．0建立可燃物模型。用P代表马尾松，C代表大叶栎，W代表正常冬季，S代表干旱夏季，利用表1、2的数据建立了12个可燃物模型P1W，P2W，P3W，C1W，C2W，C3W，P1S， P2S，P3S，C1S，C2S，C3S。计算了12个可燃物模型在6．1m风速分别为5km／h、15km／h、25km／h、35km／h情景下的火行为。计算结果用Matlab R2012a作图。

表2　可燃物含水率和温度Table 2 Moisture scenarios and air temperatures

2　结果与分析

2．1 12个可燃物模型的火行为比较

从图1～图3可见，火行为随风速线性增加；12个模型的火线强度、蔓延速度和火焰长度几乎呈现同样的排序，即P1S、P3S和C1S的火行为高于其他的模型。无论是马尾松林还是大叶栎林，其干旱夏季的火行为高于正常冬季（图1～图3）；而火面强度、反应强度和点燃可能性这三个不受风速影响的特征均是干旱夏季高于正常冬季（表3）。

图1　12个可燃物模型的火线强度Fig．1 Fireline intensities of fuel models

图2　12个可燃物模型的蔓延速度Fig．2 Rate of spread of fuel models

图3　12个可燃物模型的火焰长度Fig．3 Flame length of fuel models

表3　可燃物模型的火行为和火类型Table 3 Potential fire behavior and fire types of the fuel models

2．2 12个可燃物模型的树冠火可能性评估

当地表火－树冠火转化率≥1时，地表火强度足以跃迁发生树冠火。当主动树冠火发生率≥1时，发生的火灾类型为遍燃型树冠火。C1S、P1S、P3S和C2S四个模型有着较高的地表火－树冠火转化率，干旱夏季模型比正常冬季模型更容易发生树冠火（图4），但并不是所有的大叶栎模型都比同等条件下的马尾松模型有更高的树冠火可能性。特别需要注意的是，大叶栎模型的主动树冠火发生率一致高于马尾松模型（图5），因为大叶栎模型的冠基高较低。

图4　12个可燃物模型的地表火－树冠火转化率Fig．4 Transition ratio from surface fire to crown fire

图5　12个可燃物模型的主动树冠火发生率Fig．5 Active crown fire ratio of the fuel models

与其他几个正常冬季模型比较，C1W发生树冠火的可能性最大，因为其林下的黑莎草较多，其草本可燃物含水率最低（表3）。而在干旱夏季模型中，唯有P2S在中－低风速（5km／h～15km／h）为地表火，这可以归因于其位于山脊、坡度低、风速调整因子低、冠基高较高（表1）。

2．3 12个可燃物模型的火效应和扑救难易程度

火面强度是揭示火烧对地上地下植被、动物和微生物影响的重要指标［23］。干旱夏季模型的火面强度高于正常冬季模型（表3），因此，干旱夏季情景发生的火烧比正常冬季的火烧对这两种森林的损害更大，特别是对马尾松林（表3）。

火的蔓延主要取决于连续的地表可燃物床，火烧释放的大部分能量来源于有焰燃烧［24］。可燃物类型和地形是影响森林火险的主要静态因素［25］，可燃物载量是决定火蔓延范围的关键［26］。森林火灾扑救的难易程度通常用火线强度来划分［27］。P2W、C3W和P3W的火线强度很低（图1），其火灾容易控制。P1S和P3S的火线强度中～高，在高风速情况下（25km／h～35km／h），手执小口径水管不能扑灭其火灾，必须采用消防车、水泵等机械才可能控制火势。

3　讨论

与Ottmar ＆Prichard［28］、Rothermel ＆Rinehart［27］划分的火灾等级相比，本研究的6个样地可能发生的主要是低中强度火，其火焰长度低于1．2m，蔓延速度小于6 m／min，火线强度低于1730kW／m；只有P1S和P3S例外，这两个模型的火焰长度高于1．4m（图3）。苍梧降雨充沛，即使在干旱季节，林木叶片仍保持相当高的含水率（≥70%）。本文研究的6个样地林分是以营利为目的的，注重尽量利用土地生产力，有着密闭的树冠和高木材储量，能够辐射到达森林地面而烤干地表可燃物的阳光少，这与Fernandes［29］和Groot［30］报告的情况类似。可燃物含水率高是这些林分火潜势较低的主要原因。

本文研究的大叶栎萌芽林火行为高于黄小荣等报告的大叶栎乔木林火行为。他们报告的28龄大叶栎公益林的冠基高很高，可以作为防火带；但苍梧的大叶栎萌芽林能否阻止火蔓延是值得怀疑的，这些萌芽林的主动树冠火发生率甚至一致地高于该地区的马尾松林（图5）。虽然大叶栎被划分为难燃树种，这种分类可能是基于大叶栎乔木林特性的，其萌芽林的火行为高于成年乔木林。苍梧大叶栎萌芽林在极端干旱的夏季情景有被火把点燃的可能性。如果将大叶栎萌芽林作为防火林带使用，需要经常清除林下枯枝落叶，割除黑莎草，减少细小可燃物。

虽然马尾松被列为中国南方最不抗火树种，在苍梧远离人类居住区的马尾松人工林在冬季被火把点着的概率是很低的（11%～16%）。坡度和坡位可以通过风速调整因子影响马尾松林的火行为。P2样地位于山脊、坡度低，而P1和P3位于较为陡峭的上坡位和中坡位，结果P2样地的火线强度大大低于P1和P3的火线强度（图1）。

天气、地形和林下叶层结构对可燃物含水率有很大影响，而含水率是决定火行为的重要因素。对6个样地代表的林分而言，干旱夏季的火行为高于正常冬季。人工林密度高，林冠郁闭，冬季地表可燃物含水率高，夏季灌木、草本可燃物含水率高，抑制了林火的发展。在连续高温无雨的干旱夏季情况下，马尾松人工林有56%～65%的概率被火把点着，在低中风速下（5km／h～15km／h），P1S、P3S两个模型蔓延发展成为树冠火。然而，无论是在正常冬季还是在干旱夏季，都没有出现马尾松林可燃物模型的火行为一致高于大叶栎萌芽林可燃物模型的情况。

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Assessing fire potential of Pinus massoniana
and Castanopsis fissa forests in Cangwu by fuel modelling

HUANG Xiaorong，PANG Shilong，PENG Yuhua，SHEN Wenhui
（Guangxi Forestry Academy，Nanning 530002，China）

Abstract：Pinus massoniana is a tree species widely used for afforestation in southern China，and one most flammable and weakly resistant to fire．Eleven－yr－old P．massoniana plantations and 4－yr－old Castanopsis fissa coppices on different topographies were investigated and fuel models were developed by BehavePlus 5．0to evaluate their fire potential in normal winter and summer drought moisture scenarios，comparing their fireline intensity，rate of spread and crown fire possibilities．The result showed that fire potential was higher in summer drought than in normal winter．However，neither in normal winter nor in summer drought，fire behavior of pine fuel models was consistently higher than that of C．fissa fuel models；and weather，topography，fuelbed composition contributed heavily on fuel moistures which always were dominating factors for fire behaviors．Although C．fissa was classified as nonflammable tree species，its coppices were more flammable than its mature arbor forests；and the coppices in Cangwu were possible to be ignited by brands in extreme summer drought．If the C．fissa coppices are used as firebreak belt forest，understory dead fuels，herbs and other fine fuels should be treated regularly．

通讯作者：黄小容，E－mail：huangxr2004＠sina．com

作者简介：黄小荣（1964－），女，广西富川人，硕士，高级工程师，主要从事森林防火、森林生态研究。

基金项目：国家林业公益性行业科研专项（201204512）、广西科技厅项目（桂科攻14124004－3－11）资助。

收稿日期：2014－12－14；修改日期：2015－01－12

DOI：10．3969／j．issn．1004－5309．2015．01．02

文章编号：1004－5309（2015）(－)0009－07

文献标识码：A

中图分类号：S762．2；S762．3；X954